涡虫学习与记忆的行为及神经化学机制

《Neurobiology of Learning and Memory》：Behavioural and neurochemical mechanisms of learning and memory in Planaria

　　

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  涡虫表现出经典、操作性及与威胁相关的学习和行为反应。
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  谷氨酸能、GABA 能和多巴胺能神经递质系统调节与记忆相关的行为反应。
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  再生能力和记忆持久性使涡虫成为研究学习和记忆机制的有力模型。

引言

涡虫是研究记忆和学习的宝贵模式生物。这些扁形动物拥有双侧对称的中枢神经系统（图 1）(Deochand 等，2018; Rivi 等，2023) 以及由纵行神经索和横联络组成梯状神经系统（图 1）(Deochand 等，2018; Wang 等，2026)。它们的神经系统相对简单，主要的神经递质系统和不同的神经元群体共同贡献于运动、感觉整合、摄食、再生和行为反应 (Deochand 等，2018; Rhodes & Vierick, 2024; Rivi 等，2023; Yang 等，2017)。运动主要通过腹侧纤毛在粘液层上协调摆动实现，而肌肉收缩则有助于定向运动和逃避威胁的响应 (Deochand 等，2018)。(见表 1。)

这些相互连接的神经元群体形成了一个分布式神经网络，协调行为反应，并为分子信号传导与学习相关输出之间提供了重要联系 (Deochand 等，2018; Gonzalez 等，2025; Rivi 等，2023; Wyss 等，2022)。然而，该网络的完整神经连接性仍知之甚少。近期的神经解剖学和转录组学研究表明，分布式神经信号传导和网络组织协调行为输出，为分子机制与学习相关反应之间提供了重要联系 (Gonzalez 等，2025; Rivi 等，2023; Wyss 等，2022)。这些特征使涡虫成为调查学习、记忆和神经可塑性基本机制的宝贵比较模型 (Deochand 等，2018; Rivi 等，2023; Shomrat & Levin, 2013; Yang 等，2017)。

涡虫的再生是一个紧密协调的过程，需要新生细胞增殖、神经元分化以及脑神经节及其相关神经电路的渐进性重建（图 1）(Cebrià, Kudome 等，2002; Durant 等，2016; Wang 等，2026)。这需要真正的神经发生（从干细胞产生全新的神经元），这在机制上区别于许多其他无脊椎动物所能实现的轴突再生 (Durant 等，2016)。涡虫能够再生包括头部在内的整个身体，这使研究人员能够探索神经组织丢失后记忆存储和重新激活的机制 (Rhodes & Vierick, 2024; Shomrat & Levin, 2013)。值得注意的是，斩首并不会消除所有神经元胞体，额外的神经元分布在腹侧神经索和头神经节外的周围神经丛中 (Bagu?à & Ballester, 1978; Ross 等，2017)，这可能部分解释了斩首后短时间内观察到的行为反应。

在分子水平上，研究鉴定了关键的谷氨酸能、GABA 能和多巴胺能信号通路，这些通路调节运动、感觉处理、神经元兴奋性和与记忆相关的行为 (Algeri 等，1983a, Algeri 等，1983b; Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008a, Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008b; Flavell & Lee, 2019; Gonzalez 等，2025; Raffa, Holland 和 Schulingkamp, 2001a, Raffa, Holland 和 Schulingkamp, 2001b; Raffa 等，2010; Rawls 等，2006; Rawls, Gomez 和 Raffa, 2007; Tano 等，2009)。单细胞转录组学分析的最新进展，结合神经化学、组织化学和解剖学研究，进一步表征了表达这些神经递质的神经元群体，并绘制了它们在双叶头神经节（大脑）和成对腹侧神经索中的分布 (Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008a, Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008b; Deochand 等，2018; Gonzalez 等，2025; Rivi 等，2023; Wyss 等，2022)。

这些神经元群体参与运动、感觉处理、摄食、再生和与学习相关的行为 (Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008a, Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008b; Deochand 等，2018; Fiala 等，2024)。虽然许多单个神经元的身份、连接性和功能仍未被完全理解，但与其他无脊椎动物神经系统的比较可能提供进一步的见解 (Deochand 等，2018; Gonzalez 等，2025; Wyss 等，2022)。相比之下，秀丽隐杆线虫（C. elegans）是研究最透彻的无脊椎动物模型之一，其神经系统由 302 个神经元组成，拥有完全重建的连接组，且神经发生、突触连接性和基因表达特征明确 (Nechipurenko & Sengupta, 2025; Schafer, 2005; Venkatesh 等，2025)。与涡虫类似，C. elegans 拥有保守的神经递质系统，包括谷氨酸能、GABA 能和多巴胺能信号传导。尽管 C. elegans 在神经损伤后能够进行轴突再生，但涡虫能够通过形成新的神经元再生整个大脑和中枢神经系统 (Deochand 等，2018; Hagstrom, Cochet-Escartin 和 Collins, 2016a, Hagstrom, Cochet-Escartin 和 Collins, 2016b; Oviedo 等，2008)。这使得研究人员能够调查大脑再生后的记忆持久性、神经修复以及神经损伤后的行为反应 (Cebrià, Nakazawa 等，2002; Deochand 等，2018; Durant 等，2016; Rivi 等，2023; Shomrat & Levin, 2013)。此外，涡虫维护成本低，易于培养，繁殖迅速，且对药理学和行为操纵反应良好，使其成为调查神经再生、神经可塑性以及学习和记忆细胞机制的实用模型 (Adams and Byrne, 2019a, Adams and Byrne, 2019b; Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008a, Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008b; Deochand 等，2018)。

与这些分子发现并行的是，行为学研究表明涡虫表现出广泛的学习反应。这些包括经典条件和操作性条件反射、条件性场所回避、条件性场所偏好以及与威胁相关的防御行为 (Adams and Byrne, 2019a, Adams and Byrne, 2019b; Cho 等，2019; Deochand 等，2018; James 等，2026; Jordan 等，2023; Michael, 1964; Rivi 等，2023)。总之，这些行为、分子和神经生物学研究使涡虫成为与已确立的模型（如啮齿动物和 C. elegans）相比可行的互补模型。

（A）外部视图，显示含有眼点和耳叶的前端头部区域，以及位于中央的口咽。（B）涡虫神经系统示意图，展示了脑神经节、成对纵行神经索、横联络和周围神经丛。神经元胞体并不局限于头神经节；额外的胞体分布在腹侧神经索和周围神经丛中 (Bagu?à & Ballester, 1978; Ross 等，2017)。该图改编自 (Brandl 等，2016; Putaringonit, 2012)。

章节摘要

文献检索策略

本研究采用叙述性综述方法识别和评估相关文献。使用 PubMed、Scopus、Web of Science 和 Google Scholar 进行电子数据库检索。关键词和检索术语包括涡虫、学习、记忆、条件反射、行为反应、记忆巩固、威胁记忆、行为可塑性、神经递质、多巴胺、谷氨酸、GABA、大脑再生、记忆持久性、生物电信号传导和 RNA 介导的遗传，单独或

涡虫的行为学习

为了研究涡虫的学习和记忆，开发了多种行为范式，包括习惯化、经典条件反射、条件性场所偏好 (CPP)、条件性场所回避 (CPA)、趋光性条件反射、Y 迷宫学习和自动化行为测定 (Abbott & Wong, 2008; Deochand 等，2018; James 等，2026; Jordan 等，2023; Mohammed Jawad 等，2018; Qian 等，2023; Rhodes & Vierick, 2024; Shomrat & Levin, 2013)。这些行为

涡虫行为、学习和记忆中的神经递质信号传导

与其他几种无脊椎动物模型一样，涡虫拥有保守的神经递质系统，这些系统也存在于脊椎动物中，为调查这些信号系统如何调节行为、学习和记忆提供了可访问的模型（表 2）(Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008a, Buttarelli, Pellicano 和 Pontieri, 2008b; Deochand 等，2018; Nicolas 等，2008; Wyss 等，2022)。包括谷氨酸、γ-氨基丁酸在内的几种主要神经递质系统

涡虫与已确立的无脊椎动物学习和记忆模型的比较

将涡虫与其他已确立的无脊椎动物（特别是加州海兔、果蝇、秀丽隐杆线虫和蜜蜂）进行比较，为了解学习和记忆的细胞和分子机制提供了宝贵的见解（表 3）。这种比较还突出了涡虫作为调查学习、记忆和神经再生模型的独特优势。

加州海兔一直是解释细胞的经典模型

结论

对涡虫学习和记忆的研究表明了几项关于行为和中枢神经系统可塑性的基本原理。涡虫通过经典和操作性条件反射等行为范式表现出不同形式的联想学习，这些范式已被广泛用于调查学习、记忆和行为可塑性 (Deochand 等，2018; Hagstrom, Cochet-Escartin 和 Collins, 2016a, Hagstrom, Cochet-Escartin 和 Collins, 2016b; Inoue 等，2015)。几种

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在撰写本综述期间，作者使用了 Grammarly、ChatGPT 和 Microsoft Copilot 来提高作品的可读性和语言质量。在使用该工具/服务后，作者仔细审查并编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明

Sayed K. Ahamed: 写作 – 原稿，验证，软件，资源，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Fionnghuala L.J. James: 写作 – 审阅与编辑，软件，资源。Cheng Yang: 写作 – 审阅与编辑，可视化，软件，调查。Jigme Thinley: 写作 – 审阅与编辑，软件，资源，方法论。Carmelo M. Vicario: 写作 – 原稿，可视化。Juan J. Canales: 写作 – 审阅与编辑，可视化。

资助

本研究没有相关资助。

利益冲突声明

作者声明不存在潜在的利益冲突。

Sayed K. Ahamed|Fionnghuala L.J. James|Cheng Yang|Jigme Thinley|Carmelo M. Vicario|Juan J. Canales|Sukhwinder S. Sohal|Luke R. Johnson|Vanni Caruso